副標(biāo)題#e#    0前言
   
    虛擬樣機(jī)技術(shù)是建造物理樣機(jī)前對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象在計(jì)算機(jī)上建立的虛擬模型機(jī)，利用其完成設(shè)計(jì)對(duì)象功能的可行性及其工作性能的分析，更好地理解系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力特性，比較設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和機(jī)械設(shè)計(jì)效率等。仿真模型的建立和模擬現(xiàn)實(shí)條件是虛擬樣機(jī)的重要基礎(chǔ)。筆者設(shè)計(jì)的六自由度液壓平臺(tái)因其自由度較多，正過(guò)程的運(yùn)動(dòng)仿真比較困難，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)逆過(guò)程的仿真，即給定末部執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡或運(yùn)動(dòng)參數(shù)，來(lái)研究各驅(qū)動(dòng)液壓缸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和特性，包括平臺(tái)的建模、仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程、極限位置、最大運(yùn)動(dòng)量、干涉等。
   

    1 液壓平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
   
    液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)包括上、下平臺(tái)，變長(zhǎng)桿系統(tǒng)，鏈接上、下平臺(tái)和變長(zhǎng)桿的鉸接元件，力傳感元件，位移傳感元件等，如圖1所示。
   
    下平臺(tái)為固定平臺(tái)，上平臺(tái)是可動(dòng)平臺(tái)，采用6根變長(zhǎng)桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。6根變長(zhǎng)支桿采用鉸接在上、下平臺(tái)之間的液壓缸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。從模仿人肌肉的角度出發(fā)，為體現(xiàn)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)一體化的思想，將力傳感器分別集成在液壓平臺(tái)的2個(gè)平臺(tái)間的6個(gè)液壓缸的缸桿上，用6個(gè)一維拉、壓傳感器檢測(cè)1個(gè)六維力。
   
    位移檢測(cè)元件位移傳感器選用FX.11型直流差動(dòng)變壓器式位移傳感器。它把振蕩器、相敏解調(diào)器與差動(dòng)變壓器封裝在一起，只需提供穩(wěn)定的直流電源，就能獲得與位移量成線性關(guān)系的直流電壓輸出。鉸接元件，采用萬(wàn)向節(jié)鉸接設(shè)計(jì)。這樣，在支路上，上、下萬(wàn)向節(jié)各有2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，液壓缸伸縮有1個(gè)移動(dòng)自由度，缺少的1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度由液壓缸和液壓活塞桿的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
   
    按照上面的設(shè)計(jì)原則，采用的結(jié)構(gòu)尺寸：上、下鉸接元件的分布圓半徑分別為上平臺(tái)半徑ra=300mm，下平臺(tái)半徑rb=600mm，液壓缸行程為60mm，上、下平臺(tái)的初始位置高度為h=1.5ra的負(fù)二次方，上、下鉸接點(diǎn)之間的距離和上平臺(tái)端鉸接元件的分布圓之間的關(guān)系滿足：l*l=4．5r*r另外，為了保證鉸接元件運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)空間的充分利用，采用支座設(shè)計(jì)使鉸接元件在液壓缸的中間工作位置時(shí)處在原始狀態(tài)(即鉸接元件的軸線重合狀態(tài))。
   

    2虛擬樣機(jī)的建立與仿真
   
    SW是美國(guó)SolidWorks公司生產(chǎn)的完全基于NT／Windows平臺(tái)的集三維機(jī)械設(shè)計(jì)(CAD)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析和結(jié)構(gòu)有限元分析(CAE)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、大型企業(yè)管理(PDM)等各種功能為一體的軟件。利用SW對(duì)六自由度液壓平臺(tái)進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)分析，必須以三維實(shí)體為基礎(chǔ)，合理選擇運(yùn)動(dòng)副和定義連桿的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)六自由度液壓平臺(tái)的正確運(yùn)動(dòng)仿真。同其它方法相比，該方法可以很容易解決看起來(lái)很復(fù)雜的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)仿真問(wèn)題。依托SW強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)分析功能，能精確地對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)位置及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算，并可以得出漂亮的虛擬現(xiàn)實(shí)的動(dòng)畫演示，能夠很好地解決復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律問(wèn)題。通過(guò)建立虛擬仿真環(huán)境進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究，可以降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)效率。并且能夠?qū)\(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真，檢查機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性等，對(duì)實(shí)際樣機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要的參考和指導(dǎo)價(jià)值。
   
    2．1 零件建模
   
    機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是和造型設(shè)計(jì)合為一體的，所以必須在零件模式下繪出零件的立體模型。SolidWorks是非常有效的三維設(shè)計(jì)軟件，利用軟件進(jìn)行實(shí)體建模十分方便。根據(jù)部件的形狀和尺寸，在SolidWorks軟件的零件模塊中利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等特征創(chuàng)建方式建立各個(gè)零件的模型。在建模過(guò)程中，一定要充分利用各零部件之間的位置關(guān)系和連接關(guān)系，選擇合適的草繪平面、參照平面及特征的生成方式，即通過(guò)合理地設(shè)定各零件之間的父子關(guān)系，以盡量減少部件上的定位尺寸，提高設(shè)計(jì)效率。這里不做具體分析，主要零部件的建模結(jié)構(gòu)如圖3所示。
   

    利用SW軟件的零件建模模塊(Parts)生成六自由度液壓平臺(tái)各零件的三維模型，其中平臺(tái)的基座、上平臺(tái)與液壓缸聯(lián)接用萬(wàn)向節(jié)的聯(lián)接座，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜和困難，因其接觸配合面為一空間面，與坐標(biāo)平面無(wú)任何位置關(guān)系，又要保證下動(dòng)板處于中間位置時(shí)，液壓缸和兩側(cè)的萬(wàn)向節(jié)的4個(gè)叉形接頭軸線重合，并要保證與基座相接的萬(wàn)向節(jié)回轉(zhuǎn)中心分布在直徑600mm的圓上，與下動(dòng)板相接的萬(wàn)向節(jié)回轉(zhuǎn)中心分布在直徑300mm的圓上，萬(wàn)向節(jié)兩兩成對(duì)，共3對(duì)，每對(duì)回轉(zhuǎn)中間距80mm，圓周分布(參考圖1和圖6)。所以要經(jīng)過(guò)精確空間位置計(jì)算，利用構(gòu)建輔助線、輔助面、拉伸等方法完成建模。